Proteine. Struttura tridimensionale Parte II

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1 Proteine Struttura tridimensionale Parte II

2 (D.L. Nelson, M.M. Cox, Lehninger Principles of Biochemistry, 4th ed., W.H. Freeman & Co., 2005)

3 Plot di Ramachandran Una situazione opposta a quella della glicina è rappresentata dall aminoacido prolina, la cui catena laterale ciclica limita i valori di φ intorno a 60 (± 25 ). Ciò rende la prolina l aminoacido con maggiori restrizioni conformazionali.

4 Plot di Ramachandran Le regioni del plot di Ramachandran sono indicate con il nome della conformazione risultante in un peptide se i corrispondenti angoli (φ, ψ) sono ripetuti negli aminoacidi successivi lungo la catena polipeptidica. α-eliche destrorse filamenti β antiparalleli e paralleli α-eliche sinistrorse (D. Voet, J.G. Voet, Biochemistry, 3 ed., John Wiley & Sons, 2004

5 L elica sinistrorsa di poli-pro (D. Voet, J.G. Voet, Biochemistry, 3 ed., John Wiley & Sons, 2004)

6 Page 235 La tripla elica del tropocollagene

7 (Pro-Hyp-Gly)- (D. Voet, J.G. Voet, Biochemistry, 3 ed., John Wiley & Sons, 2004)

8 Immagine in microscopia elettronica di Page 237 fibrille di collagene della pelle

9 Page 237 Origine delle bande (ca. 640 Angstroem) presenti nella fibrilla di collagene. Ogni molecola di tropocollagene si estende per 4 periodi.

10 Page 236 Struttura schematica della posizione dei filamenti polypeptidici nella tripla elica del collagene (Pro-Hyp-Gly)-

11 Page 239 Collagene patologico

12 β-bend, o reverse turn (D. Voet, J.G. Voet, Biochemistry, 3 ed., John Wiley & Sons, 2004)

13 MOTIVI o STRUTTURE SUPER-SECONDARIE Le principali topologie di motivo sono: α α β β β α β

14 Motivi o Strutture super-secondarie nelle proteine (D. Voet, J.G. Voet, Biochemistry, 3 ed., John Wiley & Sons, 2004)

15 Motivi α Nonostante siano le strutture secondarie più frequenti nelle proteine, le α eliche isolate non sono stabili in soluzione. Nelle strutture terziarie delle proteine le α eliche si impaccano in modo adiacente una all altra attraverso interazioni tra le catene laterali idrofobiche. Iprincipalimotivi α sono: - α-loop-α - EF hand

16 Motivi α: α-loop-α Il motivo α più semplice consiste di 2 α eliche antiparallele collegate da una regione di loop, chiamato α hairpin. La più breve connessione fra 2 α eliche coinvolge 2aminoacidi, di cui il secondo è sempre Gly, orientati perpendicolarmente agli assi delle eliche. Le eliche risultano cosi antparallele, e sono stabilizzate dall interazione dei loro macrodipoli. N C

17 Motivi α: α-loop-α Un particolare motivo α-loop-α è caratteristico di alcune proteine che riconoscono e legano specifiche zone di DNA. (noto anche come motivo HTH) In particolare, una di queste 2 eliche si va ad inserire nel solco maggiore del DNA, e riconosce le basi nucleotidiche, mentre l altra interagisce con i gruppi fosfato dello scheletro desossiribosio-fosfato. Kinemage... Exercises/E19

18 Motivi α: EF hand Il secondo motivo α è specifico per il legame del calcio ed è presente in proteine che legano il calcio quali parvalbumina, calmodulina e troponina C, che regolano l attività cellulare. Questo particolare motivo, trovato per la prima volta nella parvalbumina, viene chiamato EF hand. Il loop fra le 2 eliche lega lo ione Ca 2+ Kinemage Cam

19 Motivi α: EF hand Gli aminoacidi che costituiscono il loop devono avere particolari caratteristiche per formare questo motivo α: - i primi 5 aminoacidi legano il calcio e le loro catene laterali devono possedere cariche negative (Asp e Glu); - il sesto aminoacido deve essere Gly; - un certo numero di aminoacidi devono essere idrofobici per formare una piccola zona idrofobica fra le 2 α eliche.

20 Motivi β: β-hairpin Il motivo β più semplice è quello costituito da 2 filamenti β antiparalleli adiacenti collegati da un tratto di loop. Questo motivo, chiamato β-hairpin o unità β β, ricorre molto frequentemente nelle strutture β antiparallele, come motivo isolato o come parte di un foglietto β più complesso. La lunghezza del tratto di loop tra i filamenti β è variabile, ma di solito è costituito da 2-5 aminoacidi (v. reverse-turns, come elementi di struttura secondaria). A questo motivo β non è associata nessuna funzione specifica.

21 Page 229 Possibili collegamenti tra due filamenti β adiacenti

22 Motivi α/β: Cross over connection Alla base dei motivi α/β sta il modo in cui 2 filamenti β paralleli vengono collegati. Due filamenti β paralleli adiacenti di solito sono connessi da un α elica, che collega l estremità C-terminale del primo filamento β con l estremità N- terminale del secondo filamento β, in modo tale che l asse dell elica sia parallelo ai filamenti β. Questo motivo β-α-β viene chiamato cross-over connection.

23 Motivi α/β: Cross over connection La cross over connection consiste di di due filamenti β paralleli, un α elica e due loop (che possono variare notevolmente in lunghezza). L α elica si impacca con i 2 filamenti β, riparando dal solvente gli aminoacidi idrofobici dei filamenti β. La cross over connection può essere considerata come un largo giro di superelica, a partire dal primo filamento β, attraverso la connessione, fino al secondo filamento β. La cross over connection può essere di tipo destrorso (a) o sinistrorso (b). Quasi tutte le proteine presentano una cross over connection destrorsa.

24 Page 230 La crossover connection e sempre destrorsa

25 DOMINI nelle Proteine N

26 Principali topologie di dominio Treccia di α-eliche Barile beta up-and-down Barile beta a chiave greca Barile beta a jelly-roll Barile α/β (TIM-barrel) α/β open-sheet (dominio di legame del nucleotide)

27 Treccia di α-eliche (α-helical bundle) (D. Voet, J.G. Voet, Biochemistry, 3 ed., John Wiley & Sons, 2004)

28 Treccia di α-eliche (α-helical bundle) (D. Voet, J.G. Voet, Biochemistry, 3 ed., John Wiley & Sons, 2004)

29 Barile-β a topologia up-and-down (D. Voet, J.G. Voet, Biochemistry, 3 ed., John Wiley & Sons, 2004)

30 Domini β: Up and down La topologia più semplice per foglietti β antiparalleli è chiamata up and down: in essa i filamenti β adiacenti sono collegati da regioni di loop (β-hairpin). Spesso l ultimo filamento β è collegato al primo da legami idrogeno, a formare un barile (β barrel) di 8 filamenti β, come nel caso delle proteine che legano il retinolo o acidi grassi. In questi casi, nelle sequenze dei filamenti β catene laterali idrofobiche si alternano a catene laterali polari e cariche idrofiliche, in modo tale da formare il core idrofobico all interno del barile e da interagire esternamente con il solvente.

31 Domini β: Chiave greca Un altro modo per collegare filamenti β antiparalleli a formare un β barrel è la topologia a chiave greca, che connette filamenti β sui lati opposti del barile β.

32 (D. Voet, J.G. Voet, Biochemistry, 3 ed., John Wiley & Sons, 2004)

33 Kinemage Exercises/Ig-fold Domini β: Chiave greca Se si vogliono collegare 8 filamenti β antiparalleli con una topologia diversa da quella up and down, ci sono solo 2 alternative: collegare il filamento β n a quello n+3 oppure a quello n- 3. I due casi rappresentano le 2 possibili mani, cioè 2 opposte sceltechirali:intuttelestrutturedi proteine finora note si è trovata sempre e solo la topologia a chiave greca indicata in fig. a, quella destrorsa.

34 Un dominio a barile-β con topologia a chiave greca (D. Voet, J.G. Voet, Biochemistry, 3 ed., John Wiley & Sons, 2004)

35 Un dominio a barile β con topologia a chiave greca G60 (D. Voet, J.G. Voet, Biochemistry, 3 ed., John Wiley & Sons, 2004)

36 Kinemage Exercises/viral-coat Domini β: Jelly roll Nella topologia jelly roll, le coppie di filamenti β (1-8, 2-7, 3-6 e 4-5) sono disposte in modo tale che il filamento β 1 sia adiacente al 2, il 7 al 4, il 5 al 6 e il 3 all 8. In questo modo si possono formare altri legami idrogeno fra questi filamenti β. 2 connessioni attraversano l estremità superiore del barile e 2 attraversano quella inferiore. In più ci sono 2 connessioni tra filamenti β adiacenti nell estremità superiore del barile e 1 all estremità inferiore. Esempi: proteine costituenti il capside dei virus sferici, emmaglutinina

37 Un dominio a barile β con topologia a Jelly roll (D. Voet, J.G. Voet, Biochemistry, 3 ed., John Wiley & Sons, 2004)

38 Un dominio a barile β con topologia a Jelly roll (D. Voet, J.G. Voet, Biochemistry, 3 ed., John Wiley & Sons, 2004)

39 Dominio con topologia a barile (α/β)8 Kin abbarrel.kin (ANIMATE) (D. Voet, J.G. Voet, Biochemistry, 3 ed., John Wiley & Sons, 2004)

40 Dominio con topologia a barile (α/β) 8 (TIM) Page 229

42 Dominio con topologia α/β open sheet : dominio di legame di nucleotidi (D. Voet, J.G. Voet, Biochemistry, 3 ed., John Wiley & Sons, 2004)

43 Page 229 Dominio con topologia α/β open sheet : dominio di legame di nucleotidi

45 (D.L. Nelson, M.M. Cox, Lehninger Principles of Biochemistry, 4th ed., W.H. Freeman & Co., 2005)

46 (D. Voet, J.G. Voet, C.W. Pratt, Fundamentals of Biochemistry, 2nd ed., John Wiley & Sons, 2005)

48 Strutture Terziarie

49 Strutture Quaternarie

50 Simmetrie nelle strutture quaternarie delle proteine Page 267

51 Simmetrie nelle strutture quaternarie delle proteine: asse di simmetria di ordine 2 Page 267

52 Simmetrie nelle strutture quaternarie delle proteine

54 Page 268 Simmetrie nelle strutture quaternarie delle proteine (Gln-sintasi)

55 Page 268 Simmetrie nelle strutture quaternarie delle proteine (Gln-sintasi)

56 Simmetrie nelle strutture quaternarie delle proteine

57 Simmetrie nelle strutture quaternarie delle proteine Page 268

58 Virus con capside sferico Un altro modo in cui subunità equivalenti si dispongono a costituire il capside dei virus è quello di formare un poliedro sferico, secondo due principi base: - specificità: le subunità devono riconoscersi con precisione per formare la giusta interfaccia di interazioni non-covalenti, visto che i virus si assemblano spontaneamente dai loro componenti individuali; - economia genetica: il capside è costituito da molte copie di alcuni tipi di subunità. Questi due principi implicano la simmetria: pattern di legame ripetuti e specifici di unità costituenti identiche portano ad una struttura finale simmetrica.

59 Virus con capside sferico Come disporre in modo simmetrico oggetti identici in modo tale da costruire una sfera? Esiste solo un numero limitato di modi per farlo e fra questi la simmetria icosaedrica è la più alta possibile, permettendo al maggior numero di oggetti identici di formare una sfera. Lo studio del capside dei virus sferici con il microscopio elettronico e con la cristallografia a raggi X ha indicato che la simmetria icosaedrica sta alla base della loro architettura.

60 Virus con capside sferico L icosaedro è un oggetto approssimativamente sferico costituito da 20 triangoli equilateri identici. La sua simmetria è descritta da tipi diversi di rotazioni, che lo portano a coincidere con se stesso. 12 vertici (asse di rotazione di ordine 5) 20 facce (asse di rotazione di ordine 3) 30 spigoli (asse di rotazione di di 2) Kin exercises/viral-coat

61 Virus con capside sferico L icosaedro presenta 12 5 = 60 (o 20 3, o 30 2) posizioni equivalenti. Ogni oggetto che presenta simmetria è costituito da parti più piccole, identiche e messe in relazione una con l altra da operazioni di simmetria; tali parti vengono chiamate unità connesse da simmetria o unità asimmetriche. Le subunità proteiche che costituiscono il capside dei virus sferici sono unità asimmetriche: il numero minimo di subunità proteiche necessarie a formare il capside con simmetria icosaedrica è quindi uguale alle posizioni equivalenti dell icosaedro. Le proprietà di simmetria dell icosaedro non si limitano alla superficie, ma si estendono all intero volume. Un unità asimmetrica è quindi una parte di questo volume: è un cuneo che parte dalla superficie, fino al centro dell icosaedro.

62 Virus con capside sferico L icosaedro ha 60 unità asimmetriche, per cui il numero minimo di subunità proteiche richiesto per formare il capside di un virus a simmetria icosaedrica è 60. Ciascuna unità asimmetrica può contenere una o più catene polipeptidiche.

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64 X-Ray structure of satellite tobacco mosaic virus (STMV). The virion is shown in cutaway view along its icosahedral (T-1) 5-fold axis. From: Biochemistry Voet & Voet (2004) J. Wiley and Sons Inc.

65 Virus con capside sferico In un capside sferico costituito solo da 60 subunità proteiche ben poco spazio è lasciato alla molecola di DNA/RNA. I virus autosufficienti hanno genomi molto lunghi, che codificano per enzimi necessari alla replicazione del loro acido nucleico virale, oltre che per le proteine strutturali del capside. Questi genomi necessitano ampi spazi all interno del capside e quindi un capside più grande. Come si può costruire un capside più grande mantenendo la simmetria icosaedrica? L aumento delle dimensioni di ciascuna subunità porterebbe ad un piccolo guadagno nelle dimensioni del capside ma ad un notevole suo ispessimento. Il solo modo possibile è aumentare il numero delle subunità, cioè ciascuna unità asimmetrica dell icosaedro deve contenere più di una subunità (che possono essere identiche o diverse).

66 Virus con capside sferico Il numero totale di subunità costituenti il capside deve essere un multiplo intero di 60. Donald Caspar e Aaron Klug nel 1962 hanno dimostrato che solo alcuni multipli interi (1, 3, 4, 7, ) di 60 (subunita proteiche) sono possibili per mantenere la specificità delle interazioni all interno della simmetria icosaedrica, in modo tale che i contatti proteina-proteina siano simili. Questi multipli interi sono chiamati numeri di triangolazione T. I valori di T permessi sono dati dalla seguente formula: T = h 2 + hk + k 2 [h, k interi positivi] Nel caso di T = 1 le subunità proteiche si impaccano a formare l icosaedro in modo strettamente equivalente. Nel caso di T > 1 le subunità si possono impaccare con pattern di legame solo leggermente diversi, in modo quasi equivalente.

67 Virus con capside sferico: T = 1 I virus satellite, che sono non autosufficienti, poiché non codificano da soli tutte le funzioni richieste per la loro replicazione, hanno il capside sferico costituito soltanto da 60 catene proteiche (numero di triangolazione T = 1). Un esempio è il virus satellite della necrosi del tabacco, che è anche uno dei più piccoli finora conosciuti. Esso ha un diametro di 180 Å e per replicarsi ha bisogno dell aiuto del virus della necrosi del tabacco. Il suo RNA codifica per una sola catena polipeptidica (195 aminoacidi) per unità asimmetrica dell icosaedro.

68 Virus con capside sferico: T = 3 Nel caso di T = 3(180 subunità), ciascuna unità asimmetrica contiene 3 subunità proteiche (A, B e C) con un diverso environment. Le subunità A interagiscono intorno all asse di rotazione di ordine 5, mentre le subunità B e C si alternano intorno all asse di rotazione di ordine 3. Ci sono, quindi, 6 subunità (3 B e 3 C) disposte in modo pseudo-simmetrico intorno all asse di rotazione di ordine 3, che diventa quindi anche un asse di pseudo-simmetria di ordine 6. La disposizione delle subunità intorno all asse di simmetria di ordine 5 e a quello di pseudo-simmetria di ordine 6 dovrebbe essere molto simile, con piccole alterazioni delle modalità di impaccamento. T = 3

69 T = 3 icosadeltahedron. (a) Exact rotational symmetry of an icosahedron (solid symbols) plus local 6-fold, 3-fold, and 2-fold rotational axes (hollow symbols). (b) 3 quasi-equivalent sets of 60 icosahedrally related lobes. From: Biochemistry Voet & Voet (2004) J. Wiley and Sons Inc.

70 Virus con capside sferico: T = 3 Un esempio di capside di virus sferico con T = 3 è dato dal virus del pomodoro (tomato bushy stunt virus). Questo virus contiene 180 catene polipeptidiche chimicamente identiche (386 aminoacidi) per un diametro totale di 330 Å. Ciascuna subunità è costituita da un dominio R, una regione di loop (a) che connette R con il dominio S, a formare il guscio virale, edaundominio P che si proietta fuori dalla superficie. I domini P ed S sono collegati da una cerniera (h). Le catene polipeptidiche identiche hanno diverse strutture tridimensionali quando formano le 3 subunità A, B e C. A B C

71 Radial organization of TBSV indicating the distribution of its protein and RNA components. From: Biochemistry Voet & Voet (2004) J. Wiley and Sons In

72 X-Ray structure of the tomato bushy stunt virus (TBSV) coat protein subunit. Page 1381 From: Biochemistry Voet & Voet (2004) J. Wiley and Sons In

73 END